光纖傳感器的原理及應(yīng)用

葛曉靜 聶帥華

（華中師范大學信息技術(shù)系，湖北武漢430079）

1.前言

光纖是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新興的光電子技術(shù)材料，它與激光器、半導體光電探測器一起形成了光電子學。光纖的研究最初是為了通訊的需要，后來把光纖通訊、直接信息交換和把待測量與光纖內(nèi)部的導光聯(lián)系起來，形成了光纖傳感器。光纖傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾能力強、超高電絕緣、防燃防爆、安全性能高、成本低、體積小、使用方便等優(yōu)點。光纖傳感器可實現(xiàn)的傳感物理量很廣，廣泛應(yīng)用于對磁、聲、力、溫度、位移、旋轉(zhuǎn)、加速度、液位、應(yīng)變、光、傳像及某些化學量的測量等，應(yīng)用前景十分廣闊[1]。

2.光纖的基本知識

2.1 光纖的定義及結(jié)構(gòu)

光導纖維簡稱光纖，它是一種介質(zhì)圓柱光波導。所謂“光波導”是指以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全反射的原理約束并引導光波在其內(nèi)部或表面附近沿軸線方向傳播的傳輸介質(zhì)。

光纖是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學纖維，是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細絲。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。

2.2 光纖傳光原理

在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。設(shè)有一段圓柱形光纖，如下圖1所示，他的兩個端面均為光滑的平面。當光線射入端面并與圓柱的軸線成角θi時，在端面發(fā)生折射進入光纖后，又以φi角射入纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。但當入射角θi小于臨界入射角θc時，光線就不會透射出界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端射出，這就是光纖的傳光原理[2]。

根據(jù)斯涅耳（Snell）光的折射定律，由圖1可得：

式中，n0為光纖外界介質(zhì)的折射率。

圖1 光纖傳光原理

若光在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，則界面上的光線臨界折射角φc=90°，即φ′≥φc=90°。而

當φ′=φc=90°時，有

所以，為滿足光在光纖中的全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入射角θi應(yīng)滿足

3.光纖傳感器

3.1 光纖傳感器的基本原理及組成

光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理器系統(tǒng)以及光纖等組成。

光纖傳感器的基本原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測量參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

3.2 光纖傳感器分類[3]

3.2.1 強度調(diào)制光纖傳感器

強度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是：待測物理量引起光纖中傳輸光的光強變化，通過檢測光強的變化實現(xiàn)對待測量的測量。待測量作用于光纖敏感元件，使通過光纖的光強發(fā)生變化。設(shè)輸入光強為恒量Iin，輸出光強為Iout，即待測量對光纖中的光強度產(chǎn)生調(diào)制?？芍苯舆B接光探測器變成電信號（即調(diào)制的強度包括電信號）。

3.2.2 相位調(diào)制光纖傳感器

相位調(diào)制光纖傳感器的基本原理是：通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄏ辔话l(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。所有能夠影響光纖長度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力的被測量都會引起相位變化，如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和磁場等外界物理量。但是，目前的各類光探測器都不能探測敏感光的相位變化，必須采用干涉測量技術(shù)，才能實現(xiàn)對外界物理量的檢測。與其他調(diào)制方式相比，相位調(diào)制技術(shù)由于采用干涉技術(shù)而具有很高的檢測靈敏度。常用的干涉儀有四種：邁克爾遜、馬赫—琴特、法布里—珀羅和薩格耐克。它們的共同點是：光源發(fā)出的光都要分成兩束或更多束的光，沿不同的路徑傳播后，分離的光束又重新匯合，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

3.2.3 偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器

利用光波的偏振性質(zhì)，可以制成偏振調(diào)制光纖傳感器。偏振調(diào)制主要是利用光纖的磁光效應(yīng)、彈光效應(yīng)等物理效應(yīng)來實現(xiàn)外界信號對光纖中光波偏振的調(diào)制。磁光效應(yīng)導致旋光現(xiàn)象，彈光效應(yīng)導致雙折射。在許多光纖系統(tǒng)中，尤其是包含單模光纖的系統(tǒng)，偏振起著重要作用。光纖偏振調(diào)制技術(shù)可用于溫度、壓力、振動、機械形變、電流和電場等檢測。目前主要是用于檢測強電流。

3.2.4 分布式光纖傳感器

為獲得呈一定空間分布的場，如溫度場、壓力場、應(yīng)力場等比較完整的信息，需要采用分布調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)。所謂分布調(diào)制，就是外界信號場（被測場）以一定的空間分布方式對光纖中的光波進行調(diào)制，在一定的測量域中形成測量信號譜帶，通過檢測（解調(diào)）調(diào)制信號譜帶即可測量出外界信號場的大小以及空間分布。

4.光纖傳感器的應(yīng)用

4.1 光纖加速度傳感器

光纖加速度傳感器[4]的組成結(jié)構(gòu)如下圖2所示。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式，激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當傳感器感受加速度時，由于質(zhì)量塊M對光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束匯合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號處理電路處理后便可以正確地測出加速度值。

4.2 光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器[4]根據(jù)其工作原理可分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和偏振光型。這里介紹的是一種光強調(diào)制型的半導體光吸收型光纖傳感器，其結(jié)構(gòu)原理圖如下圖3所示。傳感器由半導體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內(nèi)的信號處理系統(tǒng)等組成。光纖用來傳輸信號，半導體光吸收器是光敏感元件，在一定的波長范圍內(nèi)，它對光的吸收隨溫度T變化而變化。半導體材料的光透射率特性曲線隨溫度的增加向長波方向移動，如果適當?shù)倪x定一種在該材料工作波長范圍內(nèi)的光源，那么就可以使透過半導體材料的光強度隨溫度而變化，探測器檢測輸出光強的變化即達到測量溫度的目的。

圖2 光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 光強調(diào)制型的光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

4.3 光纖圖像傳感器

光纖圖像傳感器[3]是采用傳像束來完成的，傳像束由玻璃光纖按一定規(guī)則排列而成。在一條傳像束中，包含了數(shù)萬甚至幾十萬條直徑為10～20μm的光纖，每條光纖傳送一個像元信息。用傳像束可以對圖像進行傳遞、分解、合成和修正。傳像束式的光纖圖像傳感器在醫(yī)療、工業(yè)、軍事等部門有著廣泛應(yīng)用。

4.3.1 工業(yè)用的內(nèi)窺鏡

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要檢查系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，而這種結(jié)構(gòu)由于各種原因不能打開或不能靠近觀察，采用光纖圖像傳感器，將探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部，通過光束的傳輸，可以在系統(tǒng)外部觀察、監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)部情況，其原理圖如下圖4所示。它由物鏡、傳像束、傳光束、目鏡組成。光源發(fā)出的光通過光束照射到被測物體上，照明視場，通過物鏡和傳像束把內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像送出來，以便觀察或照相。

圖4 工業(yè)用內(nèi)窺鏡

4.3.2醫(yī)用內(nèi)窺鏡

醫(yī)用內(nèi)窺鏡的示意圖如下圖5所示。它由末端的物鏡、光纖圖像導管、頂端的目鏡和控制手柄組成。照明光是通過圖象導管外層光纖照射到被觀察物體上的，反射光通過傳像束輸出。由于光纖柔軟，自由度大，末端通過手柄控制能偏轉(zhuǎn)，傳輸圖像失真小，因此，它是檢查和診斷人體內(nèi)各部位疾病和進行某些外科手術(shù)的重要儀器。

圖5 醫(yī)用內(nèi)窺鏡示意圖

5.結(jié)束語

本文介紹了光纖和光纖傳感器的概念等基礎(chǔ)知識，并重點介紹了光纖傳感器的原理及其在各方面的廣泛應(yīng)用。光纖傳感器的應(yīng)用遠不止于此，除了上述應(yīng)用之外，纖傳感器在全光網(wǎng)絡(luò)安全、延長油田使用、生物傳感、物聯(lián)網(wǎng)等各方面也有重要應(yīng)用，并且我們相信光纖傳感器還會得到進一步的發(fā)展，應(yīng)用到人們生活的方方面面。

[1] 周繼明，江世明.傳感技術(shù)與應(yīng)用[M].長沙：中南大學出版社，2005.

[2] 錢顯毅.傳感器原理與應(yīng)用[M].南京：東南大學出版社，2008.

[3] 孟立凡，藍金輝.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用（第二版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.